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宇宙交响曲走调了？
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宇宙交响曲走调了？
宇宙微波背景辐射是全世界最古老的乐音，吟唱着宇宙的秘密。然而最新的观测发现，其中竟隐含着不和谐的旋律？
撰文╱史达克曼（Glenn D. Starkman）、舒瓦兹（Dominik J. Schwarz）
翻译／李沃龙
撰文╱史达克曼（Glenn D. Starkman）、舒瓦兹（Dominik J. Schwarz）
翻译／李沃龙
WMAP卫星所绘制的微波全天图，是量测了K波段（230亿赫兹，上图）、W波段（940亿赫兹，下图）与另外三个波段（图中未显示）的结果。就像地球的地图一样，此图将整个天球投射成椭圆形。中央水平的红色区域是银河系所发出的辐射。这类「前景」辐射的强度会随着波段而改变，因此可以辨识出而从数据里扣除，留下微波背景。
想象一下，有个成员无比众多的管弦乐团，演出长达140亿年的盛况。乍听之下，乐曲的旋律还蛮和谐一致的；但再仔细听听：有乐器好像走音了。奇怪，低音号与低音大提琴轻声演奏着的，是不一样的歌曲。
这是科学家「聆听」宇宙微波背景辐射（CMB）所演奏的宇宙音乐时发现的。CMB是我们窥视早期宇宙状态最大尺度的窗口。或许得感谢量子力学的作用，在大霹雳发生后不久，宇宙的能量密度便明显有着不规律的起伏。这些随机的起伏像吹气球般胀大，最终形成今日的星系团。这种能量密度的起伏非常类似声波（一般的声波是藉由空气密度的振荡而产生），140亿年前响彻整个宇宙的「声音」，会铭刻在CMB上。现在，我们可藉由CMB的温度变化，「看见」这些声音在天空中的图谱。
CMB的涨落，可以像声波一样，借着将其分解为个别的谐波分量，予以分析解读。这些谐波就像不同频率的单音，或者，更具体的说，是乐团里不同的乐器。有一些谐波发出的声音太小，不符合它们应扮演的角色。另外，这些谐波以奇怪的方式排列，奏着错误的旋律。这些错误的音符显示，在其它方面都高度成功的标准宇宙学模型，是有瑕疵的不然，就是观测数据出了问题。
在过去几十年，科学家已建构并确证了宇宙学的标准模型。令人印象深刻的是，它说明了宇宙的诸多特性。标准模型解释了轻元素（氢、氦、锂的各种同位素）的丰度，而且它所给定的宇宙年龄（140亿年），也符合由已知最古老恒星所推算出来的结果。它预测了近乎均匀的CMB存在，同时解释了宇宙为何能展现出其它许多特性。
这个标准模型称为「暴胀Λ冷暗物质模型」。这个名字起源于模型中三个最重要的成份：暴胀的过程、一个以希腊字母Λ（lambda）代表的宇宙常数，以及称为冷暗物质（CDM）的不可见粒子。
根据此模型，暴胀阶段开始于宇宙诞生的最初瞬间，结束时则爆发了大量的辐射。暴胀解释了宇宙为何如此辽阔，充满物质却又如此近乎均匀。它也解释了为什么宇宙的均匀性并非十全十美：能量密度的不规则量子起伏，因暴胀而延展至星系团的尺度，甚至更大。
这个模型预测，在暴胀结束后，密度较大的区域因本身重力的影响而塌缩，结果形成今日我们所见的星系和星系团。这个程序必须借助于冷暗物质。冷暗物质是由只能以重力效应侦测到的巨大粒子云所构成。宇宙常数（Λ）是怪异形式的反重力，它造成了现今宇宙的加速膨胀（参见2004年10月号〈宇宙常数，败部复活〉）。
无论琴弦的振荡多复杂，发出的声音都能分解成许多泛音。例如，我们可以把最下图的振荡想成是基音（n＝0, 图上）与第四泛音（n＝4, 图中）的组合。其中，第四泛音的振幅比基音的振幅来得小（波形较浅）。一般说来，琴弦振荡的形状越不规则，就需要越多的泛音来建构组合。
最古老的光
虽然标准模型在解释宇宙的大多数性质时，获得空前的成功，但当天文学家测量CMB的温度涨落时，却遇到了问题。CMB是宇宙学家探究宇宙大尺度特性时最重要的工具。它是最古老的光，在大霹雳后仅仅数十万年便已发出，当时在宇宙的急速膨胀与冷却下，浓密不透明的电浆转化成透明的气体。在140亿年的变迁中，CMB因而能显现早期宇宙的图像。由于来自最遥远的地带，此图像也可说是宇宙最大尺度的瞬间影像。
虽然标准模型在解释宇宙的大多数性质时，获得空前的成功，但当天文学家测量CMB的温度涨落时，却遇到了问题。CMB是宇宙学家探究宇宙大尺度特性时最重要的工具。它是最古老的光，在大霹雳后仅仅数十万年便已发出，当时在宇宙的急速膨胀与冷却下，浓密不透明的电浆转化成透明的气体。在140亿年的变迁中，CMB因而能显现早期宇宙的图像。由于来自最遥远的地带，此图像也可说是宇宙最大尺度的瞬间影像。
贝尔实验室的潘琪亚斯（Arnold Penzias）与威尔逊（Robert Wilson）在1965年首度侦测到CMB，并量测了它的温度。最近，CMB的尖端研究专注于：探究天空中不同区域的温度起伏。（专业说法称这些起伏为温度异向性。）遍及整个天空的温度差异，可反映出宇宙早期密度起伏的状况。1992年，宇宙背景探测卫星（COBE）首度观测到这些涨落；后来，威金森微波异向性探测器（WMAP）卫星则制作了高分辨率的起伏图像。
像「暴胀ΛCDM」这样的模型，并无法计算精确的涨落模式。但是它们可以预测涨落的统计性质，例如涨落的平均尺度与其延展的范围。除了「ΛCDM」外，物理学家曾考虑过可以做为替代方案的许多其它简单暴胀模型，也预测了涨落的某些统计特性。由于这些特性，在许多不同的暴胀模型中都能找得到，因此它们被视为是暴胀的「一般性」预测；假如真的有暴胀发生，那么不论模型的细节如何，这些预测都可以成立。若要证明其中某项预测的特性不存在，相当于是在测试暴胀学说的底限，对科学理论来说是最严峻的挑战。而这就是CMB的异常测量值所可能导致的结果。
我们可将暴胀所预测的温度涨落，分解成一系列的模态（mode），称为球谐函数（spherical harmonics）；就如同将声音分解为一连串的音符一样。前面提过，我们可以把形成星系前的密度起伏视为宇宙中的声波。如果你无法理解这个分解成模态组合的方法，可以回想一下乐团的比喻：每个模态就是一个特定的乐器，因此横亘天空的温度涨落图像，就相当于整个乐团所演奏出的音乐。暴胀的一般性预测中，第一个与涨落有关的是「统计均向性」。也就是说，CMB的起伏既不会朝向任何已存在的特定方向（例如地球的自转轴），也不会聚集在某个特别偏好的方向上。
暴胀更进一步预测，每个模态的振幅（假如我们想象成乐团的例子，那指的就是每个乐器演奏出的音量）有一定的范围，不过是随机而无规律的。特别的是，此机率的分布遵循一个称为高斯分布的钟形曲线。曲线的高峰落在振幅为零的位置，表示振幅为零的可能性最大，但通常不等于零的情况仍会发生，只不过，振幅越偏离零，发生的机率愈小。每一个模态都具有自己的高斯曲线，而高斯分布的宽度（钟形底部的开口大小）决定了该模态的功率多寡（声音的大小）。
暴胀告诉了我们，所有模态的振幅，应具有近乎相同宽度的高斯分布。这是因为暴胀造成宇宙极速飙胀，其功效就像个无所不在的超级大熨斗，将所有尺度的特性痕迹都烫平了。由于欠缺可区分的特征，暴胀的功率谱是非常平坦的。只有在暴胀开始或结束时所产生的模态，才会明显偏离这样的平坦性。……
【本文转载自《科学人杂志》2005年9月号】
https://blog.sciencenet.cn/blog-46114-280555.html
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